[원자력기사 기출풀이] 2021년 2차 원자로안전과 운전 1 ~ 5번

 

61. 노심 핵연료에서 발생되는 도플러 효과에 대한 설명 중 틀린 것은?
    ① 핵연료 내부 U-238의 열외중성자 공명흡수 변화량에 의해 발생되는 효과이다.
    ② 핵연료의 온도가 증가하면 공명흡수가 발생되는 중성자에너지 범위가 증가한다.
    ③ 핵연료의 온도가 증가하면 공명흡수되는 열외중성자의 총량은 감소한다.
    ④ 도플러 효과는 원자로 고유안전성 유지를 위해 필요한 요소이다.

 

 

도플러효과 : 핵연료의 온도가 증가함에 따라 열외중성자 공명흡수 피크의 봉우리가 낮아지고 옆으로 넓어지는 (퍼지는) 현상.

핵연료의 온도가 증가하면 우라늄 자체의 진동이 커지게 되고, 중성자와 우라늄 핵자 간의 상대속도가 잘 맞아 공명할 가능성이 높아지기 때문에 중성자 흡수가 증가한다.

 

중성자 흡수가 증가하기 때문에 노심에 부반응도 영향을 주게 되고, 결과적으로는 핵연료온도계수가 음(-)이 되어 고유안정성을 보장해준다.

 

아래 그림에서 핵연료의 온도가 높아짐에 따라 공명흡수 봉우리가 낮아지고 넓어지는 것을 볼 수 있다.

 

봉우리가 옆으로 퍼지더라도, 봉우리 밑의 총 면적은 모두 동일하다.

그런데 이 말이 중성자흡수율도 동일하다는 얘기는 아니다.

 

아래 식에서,  좌변 Ra 는 중성자 흡수율을 말한다. 결국 중성자흡수율은 평균중성자속에 비례할텐데, 이 평균중성자속이 온도에 따라 증가한다.

온도가 높아지면, 흡수단면적이 작아져 그 부분의 평균 중성자속이 증가한다.

따라서 총 중성자흡수율은 증가하게 된다.

 

1. 도플러효과는 핵연료의 대부분을 차지하는 U-238의 공명흡수 피크의 변화에 의해 발생한다.

2. 온도가 증가하면 피크가 옆으로 퍼지기 때문에 더 많은 에너지영역에서 공명한다.

3. 온도가 증가하면, 총 중성자흡수율이 증가하고 노심에 부반응도 영향을 준다.

4. 핵연료 온도가 오르면 중성자 흡수가 증가하여 노심에 부반응도 영향을 주어 핵연료 온도계수가 음(-) 가 된다. 이 것이 노심의 고유안전성이다.

 

정답 : 3

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62. 가압경수로형 원자력발전소의 최초 핵연료 장전 시 중성자 선원을 장전하는 가장 큰 이유는?
    ① 운전 초기 핵분열 유도
    ② 노심 반응도 변화 감시
    ③ 축방향 중성자속 분포 측정
    ④ 반경방향 첨두 출력 억제

 

새 노심에서는 핵연료 자체적으로 발생하는 중성자가 너무 적어 중성자계측기가 이를 계측할 수 없다. 중성자를 계측할 수 없으면 노심이 임계를 넘어섰는지를 알 수가 없어 안정적인 기동이 불가능하다.

중성자계측기가 중성자를 안정적으로 계측할만큼의 중성자를 제공해주기 위해 중성자선원을 장전한다.

 

계속 운전하다보면, 핵연료가 연소되면서, 퀴륨 등 중성자를 방출하는 초우라늄핵종들이 생기기 때문에 중성자선원이 없이도 기동이 가능하다.

 

 

정답 : 2

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63. 원자로 노심에서 핵비등이탈률(DNBR)을 감소시키는 요인이 아닌 것은?
    ① 냉각재 압력의 감소     ② 냉각재 유량 감소      ③ 냉각재 온도의 상승    ④ 국부 열속 감소

 

 

 

 

위와 같은 비등곡선에서, (그래프의 가로축은 전열면의 온도 - 물의 끓는점, 세로축은 열유속)

II, III 영역은 핵비등영역이고, 가압경수로의 정상운전 범위이다.

임계열유속인 a 점을 지나 오른쪽, IV, V 로 가면 막비등이 되고, 전열면(가열면)의 온도가 급격히 상승한다.

핵비등에서는 전열면(가열면)에서 기포가 생기고, 그 기포가 열을 유체(물)로 전달해준다.

 

핵비등이탈율 DNBR = 임계열유속 (a) / 국부최대열유속

 

원자로는 위 그림에서 a 보다 왼쪽 영역에서 운전될텐데, 이는 기포를 생성하면서 열을 전달하는 핵비등 영역이다.

원자로 내에서 가장 큰 열유속, 즉 국부최대열유속이 임계열유속 a 보다 작아야 핵비등 영역에 있음을 보장해준다.

만약 기포가 너무 많이 생성되서 오른쪽으로 간다면 핵비등이탈율은 1에 가까워질 것이고, 임계점을 넘으면 막비등으로 전환 될 것이다.

이를 방지하기 위해서, 핵비등이탈율을 1.3보다 크도록 운전범위를 제한하고 있다.

 

즉, 원자로에 기포가 너무 많이 생성된다면? 핵비등이탈율은 작아지고, 막비등의 우려가 커진다.

 

DNBR의 감소 요인은 다음과 같다.

  - 노심 국부열유속의 증가 = 중성자속 왜곡 (국부출력 증가)

  - 냉각재 유량 감소

  - 냉각재 압력 감소

  - 냉각재 온도 증가

 

1 : 냉각재의 압력이 감소하면, 냉각재의 끓는점이 감소하므로 더 많은 기포가 생겨 DNBR 이 작아진다.

2 : 냉각재의 유량이 감소하면, 전열면의 유량이 감소하여 열제거가 덜 되고, 더 많은 기포가 생겨 DNBR이 작아진다.

3 : 냉각재의 온도가 상승하면, 기포가 더 많이 생기고 DNBR이 작아진다.

4 : 국부열속이 작아지면, 위 DNBR 공식에서 분모가 작아지므로 DNBR은 커진다.

 

 

 

 

 

정답 : 4

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64. 가압경수로형 원자력발전소에서 원자로 기동 시 원자로냉각재에 주입하는 약품인 하이드라진(N2H2)의 사용목적은?
    ① 원자로 냉각재 내 용존산소 제거
    ② 원자로 냉각재 내 부식생성물 저감
    ③ 원자로 냉각재 내 비이온성 방사성물질 제거
    ④ 원자로 냉각재 pH 조절

 

 

1차냉각계통의 수질 관리

  - 기동시에는 하이드라진 ($N_2H_2$) 으로, 출력운전 시에는 수소로 용존산소를 제거

  - Li 로 pH 조절

  - 이온교환기와 여과기로 정화

 

하이드라진은 용존산소 제거 목적으로 주입한다.

 

정답 : 1

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65. 가압경수로형 원자력발전소의 노심 반응도 제어와 관련된 설명 중 틀린 것은?
    ① 일정기간 동안 정격출력 운전을 지속하기 위해 잉여반응도를 가지도록 핵연료가 장전된다.
    ② 잉여반응도는 핵연료 연소, 핵분열생성물 축적 등에 의해 감소한다.
    ③ 노심의 반응도를 제어하는 수단으로는 수용성 독물질, 가연성 독물질, 제어봉 등이 사용된다.
    ④ 제어봉이 삽입/인출 되는 경우 노심 내 국부 출력변화를 유발하지 않는다.

 

 

노심에 장전되는 핵연료의 양이 많을수록 노심의 반응도는 커진다.

만약 노심의 반응도가 딱 1. 즉 임계가 되도록 한다면, 원자로는 임계를 유지할 수 없다. 핵연료가 점점 연소되기 때문이다. 

원자로의 운전주기가 1년이라면? 1년이 지난 후에도 원자로의 반응도는 1 이상이어야 한다.

 

이렇게 주기말에도 핵분열 연쇄반응을 유지시킬 수 있도록, 주기초에 임계량보다 더 많은 핵연료를 장전하고, 이로인한 추가반응도를 잉여반응도라고 한다.

 

즉, 원자로는 잉여반응도를 가지고 운전을 시작하고, 핵연료는 점점 사라진다.

그러다가, 잉여반응도가 0이 되는 순간 더는 운전을 지속하지 못하고 미임계가 되므로 원자로는 정지할 수 밖에 없다.

 

그럼 주기초에는 초임계 상태로 운전하는건가? 라고 생각할 수 있는데, 주기초에는 잉여반응도를 제어봉, 수용성독물질(붕산수) 등을 통해 상쇄시켜 반응도를 1로 만들어 준다. 결국 주기 내내 반응도는 1인 상태로 운전되는 것이다.

 

1, 2, 3 번은 옳은 선지이다

4 : 제어봉이 삽입되는 곳 주변은 중성자 흡수가 많아지고, 인출되면, 그곳의 중성자 흡수가 줄어들기 때문에 제어봉의 삽입 위치에 출력 분포는 강하게 영향을 받는다.

 

정답 : 4